Zat alami yang berharga sering terjadi sebagai campuran yang mengandung komponen yang diinginkan dan tidak diinginkan. Misalnya, minyak mentah mencakup berbagai jenis hidrokarbon yang cocok untuk bahan bakar yang berbeda aplikasi, air laut memiliki kandungan garam yang tinggi dan bijih besi mengandung kotoran mineral selain mineral besi yang dapat digunakan. Selama berabad-abad, orang telah mengembangkan banyak cara untuk memurnikan atau memurnikan bahan-bahan alami. Distilasi sederhana dan distilasi fraksional adalah dua variasi teknik dasar untuk memisahkan berbagai komponen cairan.
Uap dan Penguapan
Hubungan antara suhu dan penguapan sangat penting untuk memahami distilasi sederhana dan fraksional. Ketika cairan berada dalam wadah terbuka, atmosfer memberikan tekanan ke bawah pada permukaan cairan. Tekanan atmosfer ini melawan tekanan uap cairan, yang diciptakan oleh energi kinetik molekul yang menguap dari permukaan cairan. Saat suhu cairan meningkat, energi kinetik molekul rata-rata juga meningkat; lebih banyak molekul menguap, menyebabkan tekanan uap yang lebih tinggi. Mendidih terjadi ketika molekul dapat menguap dengan bebas karena cairan telah mencapai suhu di mana tekanan uap sama dengan tekanan atmosfer.
Pemisahan Sederhana
Senyawa yang berbeda memiliki suhu didih yang berbeda. Demikian pula, pada suhu tertentu, senyawa yang berbeda akan memiliki tekanan uap yang berbeda. Jika campuran cair dari senyawa yang berbeda dipanaskan dalam wadah tertutup, komposisi uap yang terperangkap di atas cairan akan mencerminkan perbedaan ini. Uap akan mengandung lebih banyak molekul senyawa dengan tekanan uap lebih tinggi dan lebih sedikit molekul senyawa dengan tekanan uap lebih rendah. Suatu senyawa dengan suhu didih yang sangat tinggi relatif terhadap senyawa lain dalam campuran akan hampir tidak ada uap, dan padatan terlarut yang tidak mudah menguap, seperti garam, akan tetap sebagai sedimen dalam pemanasan wadah. Distilasi sederhana adalah proses mengumpulkan uap ini dan mendinginkannya sehingga mengembun kembali menjadi cairan. Distilasi sederhana memisahkan komponen campuran cairan karena cairan kental mengandung proporsi yang lebih tinggi dari senyawa dengan tekanan uap yang lebih tinggi dan cairan aslinya mengandung proporsi senyawa yang lebih tinggi dengan uap yang lebih rendah tekanan.
Dilema Distilasi
Satu distilasi sederhana mengubah proporsi senyawa dalam dua cairan akhir, tetapi tidak mencapai pemisahan sempurna. Proses ini dapat diulang untuk mencapai tingkat pemisahan yang semakin tinggi, tetapi ini juga sia-sia karena selama setiap prosedur distilasi, beberapa molekul terlepas ke atmosfer dan beberapa tetap sebagai residu dalam penyulingan peralatan. Distilasi fraksional mengatasi dilema ini - meningkatkan distilasi sederhana dengan mencapai tingkat pemisahan yang lebih tinggi hanya dalam satu prosedur distilasi.
Satu Kolom, Beberapa Evaporasi
Perbedaan utama antara distilasi fraksional dan distilasi sederhana adalah penambahan kolom fraksinasi antara wadah yang dipanaskan dan tempat uap mengembun. Kolom ini diisi dengan bahan, seperti kawat logam tipis atau manik-manik kaca, yang mendorong kondensasi karena memiliki luas permukaan yang tinggi. Saat uap naik melalui kolom fraksinasi, mereka mengembun menjadi cairan pada permukaan yang lebih dingin dari bahan-bahan ini. Uap panas yang naik dari bawah kemudian menyebabkan cairan ini menguap, lalu mengembun lagi, lalu menguap lagi dan seterusnya. Setiap penguapan menghasilkan uap dengan proporsi molekul yang lebih tinggi dengan tekanan uap yang lebih tinggi. Dengan demikian, distilasi fraksional mencapai pemisahan yang unggul dengan kehilangan material yang lebih sedikit karena satu prosedur setara dengan beberapa putaran distilasi sederhana.